基于mcgs的机械手系控制系统的-毕业设计

1、毕业设计（论文）材料之二（1） 安徽工程大学机电学院本科毕业设计（论文）专 业： 自动化 题 目： 基于MCGS的机械手控制系统设计 作 者 姓 名： 导师及职称： 导师所在单位： 电气工程学院 年 月 日安徽工程大学机电学院本科毕业设计（论文）任务书 2013 届 自动化 专业学生姓名： 毕业设计（论文）题目中文：基于MCGS的机械手控制系统设计 英文：Manipulator control system design based on MCGS 原始资料1 王月芹.基于PLC的气动机械手控制系统设计J.机电产品开发与创新，2012(05)：133-1352 郭洪武. 浅析机械手的应用与发展

2、趋势J.中国西部科技，2012(10)3 徐玲. 基于MCGS组态软件气动机械手PLC控制系统设计J.伺服控制 ，2012(01)：51-534 李景魁.基于PLC的机械手控制系统设计J.煤矿机械,2012(10):147-1485 刘小春. 基于MCGS的PLC仿真实训系统的设计与实现J.自动化技术与应用，2012(10)：46-576MCGS软件的机械手控制系统研制J.液压与气动. 2010(10)，61-63 毕业设计（论文）任务内容1、课题研究的意义：机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展机械手研究逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手非常

3、广泛地应用在锻压、热处理、冲压、焊接、装配、锻造、机加、喷漆等不同行业。特别是在高温、笨重、有毒、危险、多粉尘、放射性等恶劣的复杂劳动环境中，由于机械手具有显著的优点而受到广泛重视。总之，机械手是提高劳动生产率，改善劳动生活条件，减轻工人劳动强度和实现现代化的工业生产自动化的一个主要手段。不论国际还是国内的相关企业和机构都非常重视它的研究应用和发展。2、本课题研究的主要内容：本课题主要研究的是基于MCGS的机械手控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。通过设计和编写PLC程序实现机械手模型控制系统的自动运行。利用组态软件MCGS设计出上位机人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，

4、进而实现机械手的实时监控。通过PLC和MCGS就能实现机械手控制系统的动作过程，能使机械手的动作更加形象化。3、提交的成果：（1）一篇毕业设计（论文）正文；（2）设计部分所需的插图和主要源程序；（3）一篇引用的外文文献及其译文；（4）主要参考文献的题录及摘要。指导教师（签字）教研室主任（签字）批 准 日 期接受任务书日期完 成 日 期接受任务书学生（签字）基于MCGS的机械手控制系统设计摘 要随着时代的进步和科学技术的发展，机械手在各种不同的场景作用日益突出。尤其当工作人员在面临高温、腐蚀以及有毒气体时，机械手的出现使这些难题迎刃而解。因此，在MCGS软件作为上位机的基础上，采用PLC控制器作

5、为下位机，完成了机械手的各种动作的模拟。通过对整个机械手控制系统的研究和设计，使机械手的各项功能进一步实现。本文介绍了上位机组态软件、下位机控制器和输入/输出设备的选择。采用三菱FX2N-24MT可编程控制器作为机械手控制系统的下位机, 并用MCGS组态软件开发了上位机监控界面、能直观检验机械手PLC控制系统的运行情况。实践证明，PLC可编程控制器和MCGS组态软件结合有利于PLC控制系统的设计、检测，具有良好的应用价值。通过对本课题的设计，根据PLC作为控制器的机械手控制系统,硬件接口设计和梯形图语言编程实现了机械手的左移、右移、上升、下降、夹紧和放松等动作。同时，利用组态软件MCGS设计了

6、机械手控制系统监控界面，提供了较为直观、清晰、准确的机械手运行状态，进而为维修和故障诊断提供了多方面的可能性，充分提高了系统的工作效率。 关键词：机械手；MCGS ；PLCManipulator control system design based on MCGSAbstractAlong with the progress and development of science and technology,the manipulator is increasingly prominent in various scenes. Especially when the staff in the

7、 face of high temperature, corrosive and toxic gases, appeared to be smoothly done or easily solved the problem of manipulator. Therefore, in the MCGS software as the basis of upper computer, uses the PLC controller as slave computer, simulate all kinds of movement of manipulator to complete. Based

8、on the research and design of the control system of the manipulator, the manipulator further realize the function.This paper introduced the PC configuration software, controller and input / output equipment selection. The Mitsubishi FX2N-24MT programmable controller as the slave manipulator control

9、system, and use MCGS configuration software to develop a PC monitor interface, can run visual inspection of PLC manipulator control system. Practice has proved, the PLC programmable controller and MCGS configuration software design, combined with the PLC of control system to the detection, has good

10、application value.Through the design of this project, according to the PLC as the controller of the manipulator control system, the design of hardware interface and the ladder diagram programming language of the manipulator move left, right, up, down, clamping and relax action. At the same time, the

11、 manipulator control system monitoring interface is designed by using the configuration software MCGS, provides the mechanical hand operation more intuitive, clear, accurate, provide the possibility of many aspects and for the repair and fault diagnosis, enhance the efficiency of the system.Key word

12、s: Manipulator; MCGS; PLC目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358924532 引言1 HYPERLINK l _Toc358924533 第1章 绪论2 HYPERLINK l _Toc358924534 1.1 课题研究目的及意义2 HYPERLINK l _Toc358924535 1.2 机械手控制在国内外的研究和发展概况2 HYPERLINK l _Toc358924536 1.3 本课题研究的主要内容3 HYPERLINK l _Toc358924537 第2章 机械手控制系统设计方案4 HYPERLINK l _Toc3

13、58924538 总体方案的选择4 HYPERLINK l _Toc358924539 机械手控制方式的选择4 HYPERLINK l _Toc358924540 2.2.1 机械手的选择4 HYPERLINK l _Toc358924541 2.2.2 机械手控制方式的选定4 HYPERLINK l _Toc358924542 2.3 可编程序控制器4 HYPERLINK l _Toc358924543 2.3.1 PLC的结构和主要功能5 HYPERLINK l _Toc358924544 2.3.2 PLC的经济分析和发展6 HYPERLINK l _Toc358924545 2.4 上

14、位机组态软件的选择6 HYPERLINK l _Toc358924546 2.4.1 MCGS的构成6 HYPERLINK l _Toc358924547 2.5 通信方式的选择7 HYPERLINK l _Toc358924548 第3章 控制系统的硬件设计9 HYPERLINK l _Toc358924549 3.1 机械手控制实现的具体内容9 HYPERLINK l _Toc358924550 3.2 PLC控制器的选型10 HYPERLINK l _Toc358924551 3.3 传感器与行程开关的选择10 HYPERLINK l _Toc358924552 行程开关10 HYPER

15、LINK l _Toc358924553 3.3.2 接近开关传感器11 HYPERLINK l _Toc358924554 3.4 PLC程序设计11 HYPERLINK l _Toc358924555 3.4.1 I/O点数的确定及PLC类型的选择11 HYPERLINK l _Toc358924556 3.5.2 PLC的I/O分配11 HYPERLINK l _Toc358924557 3.4.3 编程指令的选择12 HYPERLINK l _Toc358924558 3.4.4 机械手控制的流程设计12 HYPERLINK l _Toc358924559 3.5 PLC程序的调试14

16、 HYPERLINK l _Toc358924560 3.5.1 PLC控制的安装与布线15 HYPERLINK l _Toc358924561 3.5.2 机械手控制系统的外部接线图15 HYPERLINK l _Toc358924562 机械手控制程序的调试15 HYPERLINK l _Toc358924563 第4章 控制系统在MCGS中的软件设计16 HYPERLINK l _Toc358924564 4.1 MCGS的编程语言和数据结构16 HYPERLINK l _Toc358924565 4.2 工程的建立与变量的定义16 HYPERLINK l _Toc358924566 4

17、.2.1 工程的建立16 HYPERLINK l _Toc358924567 4.2.2 变量的分配16 HYPERLINK l _Toc358924568 4.2.3 变量定义的步骤16 HYPERLINK l _Toc358924569 4.2.4 设备与变量连接19 HYPERLINK l _Toc358924570 4.3 工程画面的创建20 HYPERLINK l _Toc358924571 4.3.1 封面窗口及监控画面的制作21 HYPERLINK l _Toc358924572 4.3.2 运行策略的建立及脚本程序的编写23 HYPERLINK l _Toc358924573

18、4.4 动画的连接26 HYPERLINK l _Toc358924574 4.4.1 指示灯的动画连接26 HYPERLINK l _Toc358924575 4.4.2 机械手的动画连接27 HYPERLINK l _Toc358924576 4.5 组态运行31 HYPERLINK l _Toc358924577 结论与展望32 HYPERLINK l _Toc358924578 致 谢33 HYPERLINK l _Toc358924579 参考文献34 HYPERLINK l _Toc358924580 附录A:附加图35 HYPERLINK l _Toc358924581 附图1

19、梯形图35 HYPERLINK l _Toc358924582 附图2 指令表37 HYPERLINK l _Toc358924583 附图3 PLC外部电气接线图39 HYPERLINK l _Toc358924584 附录C:英文文献及其翻译40 HYPERLINK l _Toc358924585 附录D:参考文献的题录及其摘要45 HYPERLINK l _Toc358924586 附录E:MCGS主要源程序47插图清单 TOC h z t 图1 c HYPERLINK l _Toc358924587 图2-1 总体方案图4 HYPERLINK l _Toc358924588 图2-2

20、PLC硬件结构图5 HYPERLINK l _Toc358924589 图2-3 组态环境和运行环境关系图7 HYPERLINK l _Toc358924590 图2-4 MCGS用户应用系统结构图7 HYPERLINK l _Toc358924591 图3-1 机械手结构示意图9 HYPERLINK l _Toc358924592 图3-2 机械手的动作示意图9 HYPERLINK l _Toc358924593 图3-3 接近开关传感器与PLC连接的工作原理图11 HYPERLINK l _Toc358924594 图3-4 程序流程图13 HYPERLINK l _Toc35892459

21、5 图3-5 程序流程图14 HYPERLINK l _Toc358924596 图4-1 MCGS工作台窗口16 HYPERLINK l _Toc358924597 图4-2 实时数据库窗口18 HYPERLINK l _Toc358924598 图4-3 实时数据库窗口18 HYPERLINK l _Toc358924599 图4-4 数据对象属性设置窗口18 HYPERLINK l _Toc358924600 图4-5 设备管理窗口19 HYPERLINK l _Toc358924601 图4-6 设备组态窗口20 HYPERLINK l _Toc358924602 图4-7 设备属性设

22、置窗口20 HYPERLINK l _Toc358924603 图4-8 工作台窗口20 HYPERLINK l _Toc358924604 图4-9 用户窗口属性设置21 HYPERLINK l _Toc358924605 图4-10 封面窗口22 HYPERLINK l _Toc358924606 图4-11 对象元件管理22 HYPERLINK l _Toc358924607 图4-12 机械手监控画面23 HYPERLINK l _Toc358924608 图4-13 循环策略窗口23 HYPERLINK l _Toc358924609 图4-14 循环策略窗口24 HYPERLINK

23、 l _Toc358924610 图4-15 指示灯动画组态属性设置27 HYPERLINK l _Toc358924611 图4-16 启动按钮动画组态属性设置27 HYPERLINK l _Toc358924612 图4-17 垂直移动量动画组态属性设置29 HYPERLINK l _Toc358924613 图4-18 水平移动量动画组态属性设置29 HYPERLINK l _Toc358924614 图4-19 工件夹紧标志动画组态属性设置30 HYPERLINK l _Toc358924615 图4-20 工件夹紧标志动画组态属性设置31表格清单 TOC h z t 表11 c HY

24、PERLINK l _Toc358924616 表2-1 RS-232接口的定义7 HYPERLINK l _Toc358924617 表3-5 PLC的I/O分配表12 HYPERLINK l _Toc358924618 表4-1 机械手控制系统变量分配表17引言在现代化大生产的时期，我们无论是工业制造、军事、娱乐以及医疗领域等都离不开机械手的辅助功能。从机械手的出现到现在都是为了减轻人们的劳作强度和加强工作人员的工作效率，这样就应该根据已有的控制理论和控制方法来设计出更好的机械手控制系统。只有这样我们才能让理论结合实际的前提下，更好的为生活发展做出贡献。机械手控制系统是基于控制器的发展和现

25、代上位机软件的进步，进而更好的对系统设计进行优化和模拟的。目前机械手的发展朝着更加实用化、智能化以及人性化的方向发展，因此控制器也是由先前的继电式发展到目前使用更多的可编程式。同时，在计算机时代的引领下各种面向对象化的思想和程序应用而生，这样就给了机械手控制采用组态软件的面向对象和实时控制功能，让整个系统更加利于工程的顺利运行以及人为合理的操作。可编程控制器即简称为“PLC”，采用一种可编程的存储器，可根据其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过模拟或数字式输入/输出控制各种不同类型的机械或生产过程。组态软件，又称组态监控软件系统软件，它是指一些采集

26、数据和过程控制的专用软件。组态软件的种类很多，基于我们所学习的以及比较了解的，对于机械手控制系统设计采用MCGS组态软件来进行面向对象的控制。MCGS能使机械手所要控制的画面全面而又直接的表现出来，在简单明了的组态过程同时还让机械手的运转生动如实。因此，采用可编程控制器（PLC）和MCGS的结合再加上传感器的选型、输入输出接口的选择，同时根据理论的支持和通过模拟实验的可行性操作，这样就能很好的实现机械手的控制系统。第1章 绪论1.1 课题研究目的及意义机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。近年来随着工业自动化的发展，机械手的研究逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。机械手非常广泛

27、地应用在锻压、热处理、冲压、焊接、装配、锻造、机加、喷漆等不同行业。特别是在高温、笨重、有毒、危险、多粉尘、放射性等恶劣的复杂劳动环境中，基于机械手显著的优点而受到广泛重视。总之，机械手在提高劳动生产率，改善劳动生活条件，减轻工人劳动强度和实现现代化的工业生产自动化的一个主要手段。不论国际还是国内的相关企业和机构都非常重视它的研究应用和发展1。基于MCGS的机械手控制系统的设计，通过MCGS组态软件对机械手进行监控，将机械手的动作过程进行了动画显示，使机械手的动作过程更加形象化。根据PLC作为控制器，能实现机械手的整个动作流程。机械手的控制和使用方式得到提高的基础上，也加强了自身的学习和动手能

28、力以及对整个系统深入认识。1.2 机械手控制在国内外的研究和发展概况机械手大致经历三代的发展，第一代机械手属于程序控制机械手，即采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官；第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正；第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手2。目前机械手技术有了新的发展：出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作

29、，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队2。国外方面：近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势，机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。国内方面：目前在一些机械手种类方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操

30、作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主研究和发展中国机械手技术的基础2。在机械手控制发展的过程中，可以看出都是向着人性化和简单化的方向发展。对于机械手控制所面临问题的主要包括：针对机械手不同的运转方式的实现、机械手在面对不同问题时能通过实时控制功能进行改进和根据软件做出合理的操作和调试来实现机械手的面向对象化的实时处理等问题。1.3 本课题研究的主要内容本课题主要研究

31、的是基于MCGS的机械手控制系统设计，包括硬件和软件的设计。通过设计和编写PLC程序实现机械手模型控制系统的自动运行。利用组态软件MCGS设计出上位机人机界面，进行设备和数据对象的连接，实现动画连接，进而实现机械手的实时监控。通过PLC和MCGS就能实现机械手控制系统的动作过程，使机械手的动作更加形象化。第2章 机械手控制系统设计方案总体方案的选择本系统实现对机械手控制系统的设计，主要包括被控对象机械手，控制器的选择和设计，上位机的设计和演示。由通信方式和通信协议来使整个信号输入/输出的连接起来，因此总体设计方案如图2-1所示。图2-1 总体方案图2.2 机械手控制方式的选择2.2.1 机械手

32、的选择 机械手作为的被控对象，实现的主要功能包括，上下移动、左右移动、机械手的夹紧和放松功能，故可采用普通的机械手，它具有3个自由度：手臂左右伸缩、手臂上下摆动、手指抓握等功能。既简单方面又有利于整个控制对象的顺利完成。2.2.2 机械手控制方式的选定 传统的设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少一些，目前仅在一些旧式的、简单的工业设备中还有一定市场，但这种控制方式却有以下致命缺陷：仅适合于简单的逻辑控制；仅适合特殊的工程项目，而没有通用性；没有改动和优化的可能性。伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，

33、计算机控制方式具有以下两个特点：硬件上至少有一个微处理器；通过软件实现控制思想。目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有：可编程序逻辑控制器（PLC）；工业控制计算机（IPC）；集散控制系统（DCS）3。由于PLC实现的是自动控制系统中控制方面的内容，其控制功能基本都是通过设计软件编程来实现的，这种软件由PLC厂商提供的基本指令系统，再根据机械设备所需的工艺流程来设计。PLC具有很多的优点。机械手控制系统若采用PLC控制，体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。机械手采用PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制

34、系统的可靠性。同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能4。综上所述，机械手的控制方式即下位机选择PLC控制。2.3 可编程序控制器（PLC）可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务4。2.3.1 PLC的结构和主要功能PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。PLC的硬件系统由微处理器(CPU)、存储器(EPROM，ROM)、输入输出(I/O)部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备

35、组成。各部分通过总线(电源总线、控制总线、地址总线、数据总线)连接而成4。其结构简图如下：图2-2 PLC硬件结构图PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。因此PLC系统有以下主要功能：数据采集、存储与

36、处理功能；多种控制功能；通信联网功能；人机界面功能；输入、输出接口调理功能；编程、调试功能。2.3.2 PLC的经济分析和发展在各种环境中，使用PLC作为主要的控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制的应用将越来越广泛。对PLC的经济分析，应从如下几方面分析：1、从影响成本的各个因素综合考虑根据目前生产设备控制装置来说，有三种类型分别为：继电器控制系统；半导体器件控制系统；PLC控制系统。价格是选择PLC品牌的因素之一，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。2、从设计、生产周期长短考虑不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望

37、是边设计、边安装、边调试以及边生产的模式，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。现代PLC的发展主要有两个趋势：一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容

38、性和多功能方面发展4。2.4 上位机组态软件的选择上位机是机械手控制系统实现的主要部分，通过上位机可以实时显示机械手动作实时情况。在PLC作为控制器的基础上，数据传输到被控对象以及在被控对象的反映，在上位机中都有所体现。在处理突发问题的时候，上位机也有着非常大的作用。组态软件，又称组态监控软件系统软件。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。同时，可作为很好的上位机设计，包括国、内外在内有很多的种类，无论在专业性方面还是在各种主流工控设备和标准通信协的情况下

39、，它们都有着自个方面的功能。根据对机械手控制系统的人机界面的设计和考虑到自身熟悉软件的程度，最终选择MCGS作为上位机的组态软件。2.4.1 MCGS的构成MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分：用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与数据库一起作为一个整体，才能构成用户引用系统。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向

40、运行环境的过渡，它们之间的关系如图2-3所示5。图2-3 组态环境和运行环境关系图由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分组成，如图2-3所示。图2-4 MCGS用户应用系统结构图2.5 通信方式的选择通信是连接PLC和MCGS的重要通道，其中通信方式有很多种，对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为串口、并口通信两种。MCGS可以方便地实现读PLC各类寄存器或继电器操作的功能; 通过MODEM实现远程采集的功能也非常便利。MCGS中, PLC已经将串口通信的波特率设置等功能成至串口父设备中，因此PLC设备驱动是作

41、为MCGS监控软件设备管理窗口中的子设备提供的。常用的通信方式有RS232、RS485、RS422等。通信协议分为ASCII通信和16进制通信两类 ( P LC 的大多采用16 进制通信 )。串口通信中，为保证通信的正确性、完整性，通常在通信帧的尾部加有校验。通信过程中，上位机的MCGS监控软件调用PLC驱动。根据协议，向PLC发送寄存器的读写命令, 并接收应答数据。根据P LC与MCG接口的适配性，选择RS-232/RS-485作为串行口的通信。表2-1 RS-232接口的定义针脚信号定义1DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5SGND信号地6DSR数据准备好

42、7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃提示第3章 控制系统的硬件设计3.1 机械手控制实现的具体内容 机械手的动作是根据机械手的具体结构来实现，全部动作由双线圈二位电磁阀推动气缸驱动控制。机械手结构示意图如图3-1所示。图3-1 机械手结构示意图当某个电磁阀线圈通电时，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位开关和左、右限位开关，它的工作过程如图3-2所示，当机械手停在左限位处时，按下启

43、动按钮，机械手下降，当机械手下碰到下限位开关时，停止下降，机械手线圈通电，夹紧工件。当夹紧工件后，机械手上升，碰到上限位开关后开始右行。在右行的过程中，右限位开关才停止右行，下降到下限位开关位置，电磁线圈断电放松工件，然后上升到上限位开关位置停止上升，开始左行，碰到左限位开关停止左行；至此，机械手经过八步动作完成一个循环，如此反复执行6。(夹紧工件时间为3s，释放工件的时间为2s) SHAPE * MERGEFORMAT 图3-2 机械手的动作示意图3.2 PLC控制器的选型 PLC的选择除了应满足技术指标的要求外，还应着重考虑产品的技术支持与售后服务等情况。最大限度地满足被控对象或产生过程的

44、控制要求，同时对于一些原来在使用继电接触器线路很难实现的要求，使用PLC后，将很容易实现。在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。对一些过去较为繁琐的控制可利用PLC的特点加以简化，通过内部程序简化外部接线及操作方式。为保证控制系统的安全、可靠，同时采取“软件兼施”的办法。 考虑到生产的发展和工艺的改进，选择PLC容量及I/O点数时，应适当留有裕量。以满足控制要求为前提，PLC选型时应选择最佳的性能与价格比，具体考虑以下几点原则:1) PLC性能与任务要相适应原则 对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制

45、，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或三菱公司FX系列型PLC。2）PLC处理速度原则PLC工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在12个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求较高，不允许有较大的滞后时间。例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。3）PLC应用系统结构的要求

46、 PLC的结构分为整体式、模块式和叠装式等三种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。叠装式将整体式和模块式结合起来。在使用时，应按实际具体情况进行选择。 结合以上几点，在设计PLC机械手控制系统中用应选型为三菱公司FX系列型号的可编程控制器。3.3 传感器与行程开关的选择 本设计在控制机械手运行的过程中，需要有行程开关来控制机械手的行程位置，进而来控制机械手的动作。同时，需要接近开关传感器来感

47、知机械手距离工件的位置。行程开关 行程开关又称限位开关，可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等，简称静物)上或者运动的物体(如行车、门等，简称动物)上。当动态物体接近静态的物体时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合的不同状态改变去控制电路和机构的动作。 行程开关主要用于将机械手的位移转变成电信号，使电动机的运行状态得以改变，从而控制机械动作或用作程序控制。 行程开关分为直动式、滚动式和微动式三种。直动式行程开关的优点是结构简单，成本低，但容易烧蚀触头；滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小

48、，动作灵敏，适用于小型机构中使用。本设计选用LX19-K行程开关。LX19系列行程开关，适用于交流50Hz，电压至380V，直流电压至220V，约定发热电流至5A的控制电路中，动作行程1.53.5 mm，作控制运动机构的行程和变换其运动方向或速度之用。3.3.2 接近开关传感器接近开关：利用位移传感器对接近物体的敏感特性制作的开关。接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效，工作原理如图3-3所

49、示。图3-3 接近开关传感器与PLC连接的工作原理图3.4 PLC程序设计3.4.1 I/O点数的确定及PLC类型的选择本次设计使用的是普通机械手作为被控对象。本装置需采用晶体管输出型可编程控制器，可同时输出两路脉冲到机械手电磁阀，控制机械手运行。由于机械手系统的输入/输出点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，该机械手的控制为纯开关量控制，且I/O点数不多，仅需6个输入点和7个输出点，考虑留有一定的裕量。故选用日本三菱公司生产的多功能小型FX1N-24MT-D主机，该机输入点为14个，输出点为10个。3.5.2 PLC的I/O分配 根据机械手动作的要求及机

50、械手实物教学实验装置说明指导，输入、输出点的分配如表3-5所示。表3-5 PLC的I/O分配表名称输入名称输出启动X0夹紧工件Y0左限位X1下降Y1下限位X2上升Y2上限位X3右行Y3右限位X4左行Y4放松工件Y5复位X7原位Y73.4.3 编程指令的选择方案一：使用起保停电路的编程方式。用辅助继电器代表步，仅仅使用与触电和线圈有关的指令。编出程序规范，具有易于阅读和容易查错的优点，但因为存在大量的自保持触点，使程序代码较长。方案二：采用以转换为中心的编程方式。这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，会有很大帮助。方案三：采用STL指令的编程

51、方式。STL指令（步进梯形指令）是三菱厂家设计的专门用于顺序控制的指令，使用该指令可以使编制顺序控制程序更加方便，而且易于调试和维护，且代码较短。经论证本次设计采用的编程方式选用方案三。3.4.4 机械手控制的流程设计按照机械手动作过程的实现，主要的控制过程的演示以及根据要求完成的动作，可以设计出机械控制的流程图，如图3-4所示。图3-4 程序流程图根据对机械手控制系统的设计和各种型号的选择，同时基于机械手控制动作的流程图，即可设计出出机械手动作的程序流程图如图3-5所示。三菱PLC的梯形图见附录A中的附图1；相对应指令表见附录A中的附图2。图3-5 程序流程图3.5 PLC程序的调试由于PL

52、C是专门为工业生产环境设计的控制装置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都将不能保证PLC正常、安全、可靠的运行。因此，讨论PLC设计调试就具有十分重要的意义。3.5.1 PLC控制的安装与布线1、 输入接线（1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。 （2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。 （3）利用普通二极管恰当的串接在PLC输入回路中，防止信号干扰，使PLC输入信号大大增强。2、电源接线电源是PLC引入干扰的主要途径之一，PLC应尽可能取用电压波动较小

53、、波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。为了提高整个系统的抗干扰能力，可编程序控制器供电回路一般可采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等。我们正是用了隔离变压器和交流稳压器来抗干扰。PLC供电电源为50Hz、220V10%的交流电。由于本设计使用的是FX1N系列可编程控制器，所以有直流24V输出接线端。该接线端可为输入及传感器（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。3、接地正确选择接地点，完善接地系统接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁

54、干扰的重要措施之一。系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。所以我们给可编程控制器接上了专用接地线。3.5.2 机械手控制系统的外部接线图PLC外部电气接线图见附录A中的附图3。机械手控制程序的调试在程序调试过程中出现了一系列的问题，但最终都一一解决了。在使用STL指令编程时，刚开始由于对STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少错误，加上机械手模型装置本身存在的一些问题，所以在调试程序时，机械手动作不符合控制要求。经过不断查阅资料，研究、改

55、进，最终程序调试成功。机械手运行良好，动作正确、符合控制要求。第4章 控制系统在MCGS中的软件设计4.1 MCGS的编程语言和数据结构MCGS全中文组态软件，采用C+语言编制，核心为组态结构。它是基于WIN95/98/NT视窗结构，能够快速构造和生成数据管理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等界面，轻松实现各种工程曲线、报表、数据浏览、远程通讯、远程采集、远程诊断等功能的先进软件。MCGS组态软件采用Basic的脚本语言编程，有强大的图形化流程策略组态工具，使编程工作降到最少，因而获得用户的喜爱7。MCGS数据库管理功能强大，分为数据前处理（可以对设备采集进来的数据进行多种数值处理）、

56、数据后处理（可通过各种内部函数、运算符、脚本程序对实时采集的数据进行处理）、实时数据处理（提供数据浏览，各种曲线、报表等功能构件，对存盘数据库的数据进行查询、排序、运算等操作），同时可以挂接外部数据库，实现ODBC接口和OLE实时调用，可以和SOL、Server、Oracle、Access等数据库相连，提供多种数据转换方式，每种方法都可以独立使用或组合使用7。数据浏览构件可同时以表格和曲线的形式显示存盘数据库中数据，实时曲线可以动态显示当前的数据，并可以设定上下限值和时间的长短，以便于用户查询，同时提供EXCEL报表和MCGS自由报表。4.2 工程的建立与变量的定义4.2.1 工程的建立首先双

57、击桌面MCGS组态环境图标，进入组态环境，屏幕中间窗口为工作台。单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程”。选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。在文件名一栏内输入“机械手控制系统6”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。如图4-1所示。图4-1 MCGS工作台窗口在MCGS中，变量也叫数据对象。实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的

58、时间范围和保存期限等。4.2.2 变量的分配在开始定义之前，我们先对系统进行分析，确定需要的变量。本系统至少需要16个变量，见表4-1。表4-1 机械手控制系统变量分配表变量名类型初值注释启动按钮开关型0机械手启动控制信号，X11输入，1有效复位按钮开关型0机械手复位控制信号，X12输入，1有效夹紧开关型1机械手动作控制夹紧，输出，0有效放松开关型1机械手动作控制放松，输出，0有效上升开关型1机械手动作控制上升，输出，0有效下降开关型1机械手动作控制下降，输出，0有效前伸开关型1机械手动作控制前伸，输出，0有效后缩开关型1机械手动作控制后缩，输出，0有效X5开关型0X轴前限位，输入，1有效，停

59、止前伸X6开关型0X轴后限位，输入，1有效，停止后缩X7开关型0Y轴上限位，输入，1有效，停止上升X10开关型0Y轴下限位，输入，1有效，停止下降工件夹紧标志开关型0夹紧为1初始位置开关型1工件处于初始位置时为1垂直移动量数值型0动画参数水平移动量数值型0动画参数机械手动作控制信号本身要求高电平，而开关量输出通道是反相输出，因此上升等几个变量需设计为低电平有效，即送“0”动作。4.2.3 变量定义的步骤单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，如图4-2所示。窗口中列出了系统已有变量“数据对象”的名称。其中一部分为系统内部建立的数据对象。现在要将表中定义的数据对象添加进去。

60、单击工作台右侧“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加了一个新的数据对象，如图4-3所示。选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置” 窗口。图4-2 实时数据库窗口图4-3 实时数据库窗口图4-4 数据对象属性设置窗口将“对象名称”改为：复位按钮；“对象初值”改为：0；“对象类型”选择：开关型；在“对象内容注释输入框”内输入：机械手复位控制信号，X12输入，1有效。单击“确定”。如图4-4所示。按照步骤25，根据上面列表，设置其他数据对象。单击“保存”按钮。4.2.4 设备与变量连接在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。点击工具条中的“工具